你或許看到過這樣的現(xiàn)象，在一些有液體流動的表面（如管道），常常覆蓋著由礦物晶體構(gòu)成的污垢。這是因為當(dāng)含有非揮發(fā)性溶質(zhì)的揮發(fā)性溶液在蒸發(fā)時，會導(dǎo)致溶質(zhì)的濃度上升而結(jié)晶析出。當(dāng)這些析出的晶體在一些物質(zhì)表面上累積，就會造成許多令人頭疼的問題——這些問題普遍存在于水處理、熱電發(fā)電等工業(yè)過程中，降低了工業(yè)過程的效率，且往往需要支付高昂的價格來應(yīng)對。

據(jù)統(tǒng)計，在一些工業(yè)化國家，因換熱器表面的鹽和其他可溶解礦物所形成的污垢造成的虧損，就占了國內(nèi)生產(chǎn)總值的四分之一個百分點。不僅如此，污損還會影響到輸水系統(tǒng)的管道、地?zé)峋?、農(nóng)業(yè)設(shè)施、海水淡化廠，以及各種可再生能源系統(tǒng)和二氧化碳的轉(zhuǎn)換。

為了減少因為這些污垢造成的損失，越來越多的研究放眼于從材料工程的角度來防止這些污垢的生成。材料的浸潤特性一直是探尋如何消除這些污垢的一個主要研究方向。然而，晶體污垢是一個多相問題，除了材料本身之外，晶體和材料之間、晶體和液體之間、液體和材料之間的相互作用，都在污垢的形成方面起到了重要作用。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一組研究人員觀察到了一種或許有效減少這種污損的新方法。他們發(fā)現(xiàn)，在疏水表面和熱量的共同作用下，溶解的鹽能以一種特殊的方式結(jié)晶。結(jié)晶形成的固體能很容易從表面去除，在有的情況下，甚至僅靠重力的作用就能讓這些結(jié)晶輕松脫落。

研究人員將這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了4月28日的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

在新研究中，當(dāng)實驗人員觀察了含有飽和氯化鈉（NaCl，食鹽的主要成分）的溶液在一個疏水表面的蒸發(fā)。發(fā)現(xiàn)隨著液體的蒸發(fā)，鹽隨之沉淀，并在液滴周圍形成一個類似球形的三維晶體結(jié)構(gòu)。

這時，他們觀察到了一個出人意料的現(xiàn)象，隨著蒸發(fā)過程的繼續(xù)，這種類球形的殼會突然長出一組細(xì)長的“腿”。這一過程會反復(fù)發(fā)生，產(chǎn)生許多的腿狀結(jié)構(gòu)，使得整個結(jié)構(gòu)看起來像是某種有腿的生物。研究人員也因此在論文中將這種結(jié)構(gòu)稱為“晶體生物”。

晶體生物具有很多種不同的的形狀，比如研究人員就將圖中所示的三種形狀從左到右依次稱為螃蟹、大象和機(jī)器人。| 圖片來源：MIT

經(jīng)過多次實驗和分析，研究人員確定了產(chǎn)生這些腿狀突起的自噴射機(jī)制。

這些腿是空心的管，溶液能通過這些中空的管道向下流動。一旦到達(dá)底部，液體蒸發(fā)，就會形成新的晶體，使得管的長度不斷增加。最終，表面和晶體之間的接觸變得非常有限，過長的腿會無法支撐腿上的重量，因此晶體很容易被移除，甚至偶爾晶體會自行滾動并脫落。

此外，他們還觀察到這些突起物會根據(jù)溫度的變化和疏水表面的性質(zhì)的不同而改變。

在實驗過程中，當(dāng)疏水表面的溫度低于50°C時，研究人員并沒有觀察到晶體生物的形成。當(dāng)表面溫度高于50°C時，晶體生物的生長開始變得更加明顯。隨著溫度的升高，蒸發(fā)的時間會隨之減少，并且開始“長腿”之前的時間與腿的生長時間之比也隨溫度的升高而減小。

因此在溫度更高的疏水表面上形成的晶體生物，往往比溫度更低的表面上形成的晶體生物更早長出腿，且在更高溫度的表面上最終形成的腿的長度也更大。也就是說，溫度越高，晶體生物就生長和脫離得越快，減少了表面被阻塞的時間。而且研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過改變表面的溫度，甚至有可能使晶體結(jié)構(gòu)朝著特定的方向滾動。

在研究中，他們還分析了表面紋路對生物晶體生長的影響。發(fā)現(xiàn)雖然許多不同長度尺度的紋路都能形成具有疏水性的表面，但只有具有納米尺度的紋路的疏水表面，才能產(chǎn)生這種自噴射效應(yīng)。當(dāng)一滴鹽水在超疏水表面蒸發(fā)時，通常會發(fā)生的情況是，這些晶體開始進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形成一個球體，并最終遺留在那里，并不會長出細(xì)長的腿。因此，表面的質(zhì)地和紋路對自噴射效應(yīng)至關(guān)重要。

這項研究不僅給我們展示了一個有趣的現(xiàn)象，還具有極大的實際意義。

它可以擴(kuò)大未經(jīng)處理的鹽水在工業(yè)過程中的使用范圍，比如在一些工業(yè)冷卻過程中，可以直接使用含鹽或微咸的水來冷卻系統(tǒng)，以幫助緩解淡水短缺的問題。據(jù)介紹，僅在美國，每年就有1萬億加侖的淡水被用于冷卻，這是一個很大的數(shù)字，要知道一個典型的600兆瓦的發(fā)電廠每年消耗的水量約為10億加侖，這足供10萬人次使用。

它還可以減輕工業(yè)過程中的各種礦物污染。各種金屬在海洋環(huán)境中或暴露在海水中都會發(fā)生結(jié)垢和腐蝕。新的發(fā)現(xiàn)或許能為研究結(jié)垢和腐蝕的機(jī)制提供新方法。

另外，在某些情況下，新發(fā)現(xiàn)的機(jī)制還可能帶來額外的經(jīng)濟(jì)效益?；厥盏柠}和其他礦物可以成為可銷售的產(chǎn)品。雖然最初的實驗是用普通的氯化鈉完成的，但據(jù)預(yù)計，其他種類的鹽或礦物質(zhì)也能產(chǎn)生類似的效果?，F(xiàn)在，研究人員正計劃將這一過程擴(kuò)展到其他種類的溶液上。

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編譯：小雨